DE102011002856A1

DE102011002856A1 - Verfahren zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases

Info

Publication number: DE102011002856A1
Application number: DE201110002856
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; Helge Schichlein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-07-19
Also published as: CN103314287A; WO2012097897A1; CN103314287B

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr (112) vorgeschlagen, insbesondere zum Nachweis mindestens einer Gaskomponente in einem Abgas in einem Abgasstrang. Bei dem Verfahren werden mindestens zwei an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr (112) angeordnete Gassensoren (122, 124, 126) verwendet. Die Gassensoren (122, 124, 126) weisen jeweils mindestens eine Nernstzelle auf, wobei jeweils mindestens eine Nernstspannung an den Nernstzellen erfasst wird. Die Gassensoren (122, 124, 126) geregelt. Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass der mindestens eine Parameter bei mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen erfasst wird.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases bekannt. Bei dem mindestens einen Parameter kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases handeln. Insbesondere kann es sich bei dieser mindestens einen Eigenschaft um einen Anteil einer Gaskomponente des Gases handeln, also beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck der mindestens einen Gaskomponente, insbesondere einen Sauerstoffanteil und/oder einen Anteil an Stickoxiden und/oder Fettgasen, also beispielsweise Kohlenwasserstoffen und/oder H₂. Entsprechende Sensoren können beispielsweise auf der Verwendung mindestens eines Festelektrolyten basieren, beispielsweise Zirkoniumdioxid, wahlweise beispielsweise dotiert oder stabilisiert mit Yttrium (YSZ) und/oder Scandium (ScSZ). Derartige Gassensoren, auf welche im Folgenden bei der Beschreibung der Erfindung, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, Bezug genommen wird, sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 am Beispiel so genannter Lambdasonden beschrieben.
Aus dem Stand der Technik ist grundsätzlich bekannt, dass eine Temperatur der Sensorelemente einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Festelektrolyt-basierten Sensorelementen haben kann. In DE 35 19 410 A1 wird eine Modulation einer Betriebstemperatur eines Sensors mit einer vorgegebenen Frequenz beschrieben, wobei ein sich daraus ergebendes und mit gleicher Frequenz schwankendes Messsignal festgestellt wird. In DE 10 2005 020 363 A1 wird beschrieben, einen Messfühler zunächst mit einer ersten Heizspannung und anschließend einer zweiten Heizspannung auf eine Temperatur aufzuheizen. In DE 690 06 503 T2 wird ein Temperaturgradient zwischen zwei Elektroden eines Sensorelements verwendet. In DE 10 2008 005 110 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem ein Heizelement einer Lambdasonde durch eine Heizelementsteuerung geregelt aufgeheizt wird.
Allgemein können Lambdasonden, insbesondere Sprungsonden, ohne eine Temperaturregelung betrieben werden, wobei die Lambdasonden beispielsweise in einer zeitlich definierten Startphase mit verminderter Heizleistung betrieben werden. Dabei liegt in der Regel jedoch eine unkontrollierte und unbekannte Temperatur des Sensorelements vor, abhängig in der Regel von den Kaltstartbedingungen des Motors, dem Motorlastzustand, einer Abgastemperatur oder ähnlichen Einflussgrößen. Ein in dieser Zeit verändertes Regellageverhalten und/oder Dynamikverhalten der Lambdasonde wird in vielen Fällen in Kauf genommen. Weiterhin können Lambdasonden allgemein auch mit einer Temperaturregelung betrieben werden, beispielsweise über eine Innenwiderstandsmessung der Lambdasonde. Diese Temperaturregelung kann beispielsweise innerhalb eines Toleranzkorridors auf eine Zieltemperatur des Sensorelements erfolgen, beispielsweise auf einen Innenwiderstand von 220 Ω, entsprechend einer Betriebstemperatur von 780°C. Bei einer derartigen Regelung zeigt die Lambdasonde eine Abgastemperatur-unabhängige, gleichbleibende Funktionscharakteristik bezüglich einer Regellage und einer Dynamik.
Trotz der zahlreichen Detailverbesserungen der verschiedenen, aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungen und Betriebsweisen von Sensorelementen der genannten Art besteht nach wie vor ein erhebliches Verbesserungspotenzial, insbesondere hinsichtlich einer Messgenauigkeit, einer Dynamik und einer Vergiftungsresistenz der beschriebenen Sensorelemente. So sind teilweise Zielkonflikte dahingehend festzustellen, dass insbesondere Sprungsonden bei niedrigeren Temperaturen eine höhere Genauigkeit aufweisen, insbesondere bei Abweichungen von einer Luftzahl λ = 1. Gleichzeitig tritt bei derartigen niedrigeren Temperaturen jedoch eine erhöhte Gefahr hinsichtlich einer Elektrodenvergiftung auf, und die Dynamik der Sensorelemente sinkt. Wünschenswert wäre daher ein Betriebsverfahren, bei welchem Verbesserungen hinsichtlich der oben beschriebenen Eigenschaften erzielt werden und bei denen der beschriebene Zielkonflikt zumindest weitgehend aufgelöst wird.
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Verfahren zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr sowie eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr vorgeschlagen. Wie oben beschrieben, kann es sich bei dem mindestens einen Parameter, welcher bei dem Verfahren qualitativ und/oder quantitativ erfasst wird, grundsätzlich um einen beliebigen physikalischen und/oder chemischen Parameter handeln, vorzugsweise einen Anteil einer Gaskomponente des Gases und insbesondere um einen Anteil einer Gaskomponente ausgewählt aus: Sauerstoff, Stickoxide, Fettgase. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Das Gas kann beispielsweise in einer Hauptströmungsrichtung durch das Strömungsrohr strömen, beispielsweise in einer Hauptströmungsrichtung, welche von der Verbrennungskraftmaschine weg gerichtet ist. Bei dem Strömungsrohr kann es sich somit insbesondere um einen Abgasstrang oder ein Abgasrohr handeln. Grundsätzlich kann das Strömungsrohr einen beliebigen Querschnitt aufweisen, vorzugsweise einen runden oder polygonalen Querschnitt. Besonders bevorzugt wird das Verfahren somit zum Nachweis mindestens einer Gaskomponente in einem Abgas in einem Abgasstrang eingesetzt, insbesondere zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von Sauerstoff und/oder Stickoxiden und/oder Fettgas.
Bei dem Verfahren werden mindestens zwei an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr angeordnete Gassensoren verwendet. Insbesondere kann mindestens ein erster Gassensor stromaufwärts mindestens eines zweiten Gassensors in dem Strömungsrohr angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand von mindestens 50 mm, vorzugsweise von mindestens 100 mm und besonders bevorzugt von mindestens 200 mm, beispielsweise entlang einer Hauptströmungsrichtung in dem Strömungsrohr.
Unter einem Gassensor ist allgemein ein Sensor zu verstehen, welcher den mindestens einen Parameter qualitativ und/oder quantitativ erfassen kann. Die mindestens zwei Gassensoren können vorzugsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, baugleich ausgestaltet sein. Die Gassensoren umfassen jeweils mindestens eine Nernstzelle, vorzugsweise genau eine Nernstzelle. Unter einer Nernstzelle ist dabei eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei welcher mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, welche über mindestens einen Elektrolyten miteinander verbunden sind, also über mindestens ein ionenleitfähiges Material. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Elektrolyten um einen Festelektrolyten handeln, insbesondere einen keramischen Festelektrolyten, beispielsweise einen keramischen Festelektrolyten auf Basis von Zirkoniumdioxid, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid. Besonders bevorzugt sind die Gassensoren oder zumindest einer der Gassensoren derart ausgestaltet, dass mindestens eine erste Elektrode der Nernstzelle mit Gas aus dem Strömungsrohr beaufschlagbar ist, beispielsweise direkt oder nach Durchdringung mindestens eines porösen Elements, beispielsweise einer Diffusionsbarriere, wobei mindestens eine zweite Elektrode vorgesehen ist, welche vorzugsweise nicht dem Gas aus dem Strömungsrohr ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die mindestens eine zweite Elektrode in einem Referenzgasraum angeordnet sein, in welchem mindestens ein Referenzgas mit einer bekannten Eigenschaft vorliegt und kann somit beispielsweise als Referenzelektrode ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Referenzgasraum mindestens einen Referenzgaskanal umfassen, vorzugsweise mindestens einen Referenzluftkanal und/oder mindestens einen Abluftkanal. So können beispielsweise einer oder beide der Gassensoren derart ausgestaltet sein, dass mindestens eine erste Elektrode mit dem Gas beaufschlagbar ist und mindestens eine zweite Elektrode mit einem Referenzgas, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode über den mindestens einen Elektrolyten, vorzugsweise den mindestens einen Festelektrolyten und besonders bevorzugt einen keramischen Festelektrolyten, miteinander ionenleitfähig verbunden sind. Der Referenzgasraum kann beispielsweise als einfacher Referenzgaskanal ausgestaltet sein oder beispielsweise auch als gepumpte Referenz. So kann beispielsweise, vorzugsweise durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer konstanten Spannung, an die Nernstzelle, konstant oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen ein Referenzgas zu der zweiten Elektrode gepumpt werden, beispielsweise Sauerstoff, so dass beispielsweise durch diese gepumpte Referenz stets eine magere Atmosphäre an der zweiten Elektrode, welche als Referenzelektrode wirken kann, vorliegt.
Besonders bevorzugt sind einer oder mehrere der Gassensoren also als so genannte Sprungsonde ausgestaltet, vorzugsweise als so genannte Zweipunkt-Lambdasonden, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Seiten 154–157 beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch auf andere Ausgestaltungen von Gassensoren anwendbar ist, beispielsweise auf so genannte Breitband-Lambdasonden, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben. Wiederum alternativ oder zusätzlich ist die Erfindung auch auf Gassensoren zum Nachweis von Stickoxiden anwendbar, welche beispielsweise in EP 0 769 693 A1 beschrieben werden. Die Erfindung wird, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Folgenden unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung mit zwei Gassensoren vom Typ einzelliger Sprungsonden beschrieben.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird jeweils mindestens eine Nernstspannung an den Nernstzellen erfasst. So kann beispielsweise an einem ersten der Gassensoren eine erste Nernstspannung erfasst werden, und an dem zweiten der Gassensoren mindestens eine zweite Nernstspannung. Aus den erfassten Nernstspannungen kann beispielsweise auf den mindestens einen Parameter des Gases geschlossen werden. Beispielsweise kann dies unter Verwendung eines bekannten Zusammenhangs zwischen der Nernstspannung und einer Luftzahl und/oder eines Sauerstoffpartialdrucks erfolgen. Derartige Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Bei dem Verfahren werden die Gassensoren jeweils auf mindestens eine Solltemperatur geregelt. Unter einer Regelung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei welchem mindestens ein Istwert erfasst wird und abhängig von seiner Abweichung von mindestens einem Sollwert korrigierend in das System eingegriffen wird, beispielsweise über mindestens ein Stellglied. Beispielsweise kann eine Ist-Temperatur direkt oder indirekt erfasst werden und/oder eine zu dieser Ist-Temperatur korrelierende Istgröße. Diese kann mit der mindestens einen Solltemperatur und/oder einer zu dieser Solltemperatur korrelierenden Sollgröße verglichen werden und entsprechend dieses Vergleichs Einfluss auf die Temperatur des jeweiligen Gassensors genommen werden, beispielsweise mittels mindestens eines Heizelements. Allgemein ist dabei darauf hinzuweisen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer Temperatur des Gassensors eine Temperatur verstanden wird, welche in einem sensitiven Bereich des jeweiligen Sensors vorliegt. Beispielsweise kann dies eine gemittelte Temperatur in der Nernstzelle des jeweiligen Sensors sein.
Das Verfahren wird weiterhin derart durchgeführt, dass der mindestens eine Parameter bei mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen erfasst wird. Dies kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen, welche auch miteinander kombinierbar sind. Beispielsweise können die mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen gleichzeitig an mindestens zwei unterschiedlichen Orten vorliegen, beispielsweise indem der erste Gassensor auf eine erste Solltemperatur geregelt wird, und der zweite Gassensor auf eine zweite Solltemperatur, wobei gleichzeitig und/oder zeitversetzt mittels dieser Gassensoren jeweils der mindestens eine Parameter des Gases erfasst wird. Vorzugsweise erfassen in dieser oder auch in anderen Ausgestaltungen beide Gassensoren denselben Parameter des Gases, beispielsweise jeweils einen Sauerstoffanteil in dem Gas, wobei jedoch Abweichungen in dem Messwert auftreten können. Alternativ oder zusätzlich zu der Möglichkeit, dass die mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen gleichzeitig an unterschiedlichen Orten erfasst werden, können diese mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen auch mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingestellte Solltemperaturen erfassen. Diese mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingestellten Solltemperaturen können beispielsweise in ein und demselben Gassensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten vorliegen, wie unten noch näher ausgeführt wird, und der mindestens eine Parameter kann von diesem Gassensor zu den unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden. Allgemein können die mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen also beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingestellten Solltemperaturen; mindestens zwei an unterschiedlichen Orten eingestellten Solltemperaturen, nämlich beispielsweise an den mindestens zwei unterschiedlichen Orten der mindestens zwei Gassensoren vorliegende unterschiedliche Solltemperaturen. Verschiedene Ausgestaltungen und Kombinationsmöglichkeiten dieser verschiedenen Möglichkeiten, den mindestens einen Parameter bei mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen zu erfassen, werden unten noch näher beschrieben.
Die mindestens zwei Solltemperaturen können insbesondere um einen Betrag von mindestens 30°C, vorzugsweise mindestens 50°C, weiter bevorzugt um mindestens 100°C und besonders bevorzugt um mindestens 150°C oder sogar mindestens 200°C voneinander abweichen. Beispiele derartiger Abweichungen werden unten noch näher beschrieben.
Zur Regelung der jeweiligen Solltemperatur mindestens eines der Gassensoren, vorzugsweise beider Gassensoren oder aller Gassensoren, kann insbesondere mindestens ein Innenwiderstand der jeweiligen Nernstzelle des jeweiligen Abgassensors als Istwert erfasst werden und mit mindestens einem Sollwert verglichen werden. Entsprechend dieses Vergleichs kann beispielsweise mindestens eine Heizleistung mindestens eines Heizelements des Gassensors verändert werden, beispielsweise als Stellgröße.
Die mindestens zwei Gassensoren sollen an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr angeordnet sein. Unter einer Anordnung in dem Strömungsrohr ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher der jeweilige Gassensor an dem jeweiligen Ort den mindestens einen Parameter messen kann. Zu diesem Zweck soll der Gassensor mit Gas aus dem jeweiligen Ort des Strömungsrohrs beaufschlagbar sein. Zu diesem Zweck muss der Gassensor nicht notwendigerweise vollständig oder teilweise in dem Strömungsrohr angeordnet sein, sondern kann auch beispielsweise außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein und mit Gas aus dem Strömungsrohr beaufschlagbar sein.
Bei dem Verfahren kann insbesondere mindestens eine Aufbereitungsvorrichtung zur Aufbereitung des Gases in dem Strömungsrohr verwendet werden, insbesondere ein Partikelfilter und/oder ein Katalysator. Beispielsweise kann diese Aufbereitungsvorrichtung direkt in einem Abgasstrang angeordnet sein, beispielsweise einem Abgasrohr, oder auch über einen Bypass mit dem Abgasstrang und/oder Abgasrohr verbunden sein. Die Gassensoren sind vorzugsweise jeweils ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem in dem Strömungsrohr stromaufwärts der Aufbereitungsvorrichtung angeordneten Gassensor, insbesondere einem in dem Strömungsrohr stromaufwärts eines Katalysators angeordneten Gassensor; einem in der Aufbereitungsvorrichtung angeordneten Gassensor, insbesondere einem in einem Katalysator angeordneten Gassensor; einem in dem Strömungsrohr stromabwärts der Aufbereitungsvorrichtung angeordneten Gassensor, insbesondere einem in dem Strömungsrohr stromabwärts eines Katalysators angeordneten Gassensor. Ohne Beschränkung der Möglichkeit, dass anstelle oder zusätzlich eines Katalysators auch mindestens ein Partikelfilter, beispielsweise ein Rußfilter, verwendet werden kann, werden im Folgenden mögliche Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf einen Katalysator beschrieben. So kann beispielsweise ein erster Gassensor stromaufwärts des Katalysators angeordnet sein, welcher auch als Vorkat-Gassensor (vK-Gassensor) bezeichnet wird. Ein zweiter Gassensor kann dann beispielsweise in dem Katalysator angeordnet sein (Midbrick-Gassensor, MB-Gassensor) und/oder stromabwärts des Katalysators (Nachkat-Gassensor, nK-Gassensor). Alternativ oder zusätzlich kann auch mindestens ein Gassensor stromabwärts des Katalysators angeordnet sein und mindestens ein weiterer Gassensor in dem Katalysator und/oder stromaufwärts des Katalysators. Bezüglich der möglichen Definitionen der Begriffe „vor”, welcher hier gleichbedeutend mit „stromaufwärts” verwendet wird, und „nach”, welcher hier gleichbedeutend mit „stromabwärts” verwendet wird, kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Durch die Erfassung der mindestens einen Eigenschaft an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr lassen sich beispielsweise Plausibilitätsbetrachtungen der einzelnen Messungen durchführen und/oder Funktionalitäten der Messungen überprüfen, da beispielsweise die unterschiedlichen Einbauorte unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sein können.
Wie oben beschrieben, können die Gassensoren insbesondere baugleiche Gassensoren sein. Besonders bevorzugt umfassen die Gassensoren baugleiche Sprungsonden, vorzugsweise baugleiche Sprungsonden mit jeweils genau einer Nernstzelle. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Weitere mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens betreffen vorzugsweise die Zeitpunkte und/oder Orte, zu bzw. an welchen die mindestens zwei unterschiedlichen Solltemperaturen vorliegen und der Parameter erfasst wird. Wie oben beschrieben, kann beispielsweise ein und derselbe Gassensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf unterschiedliche Solltemperaturen geregelt betrieben werden. Diese Ausgestaltung ist grundsätzlich auch in einer Anordnung realisierbar, bei welcher lediglich ein Gassensor vorliegt. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher mindestens zwei Gassensoren vorliegen, wie oben beschrieben. Alternativ oder zusätzlich können die mindestens zwei Solltemperaturen jedoch auch an unterschiedlichen Orten eingestellt werden, nämlich beispielsweise in unterschiedlichen Gassensoren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens einer der Gassensoren in mindestens einer ersten Betriebsphase auf eine erste Solltemperatur geregelt und in mindestens einer zweiten Betriebsphase auf mindestens eine zweite Solltemperatur, welche vorzugsweise von der ersten Solltemperatur um mindestens den oben genannten Betrag abweicht. Die erste Betriebsphase kann vorzugsweise zeitlich vor der zweiten Betriebsphase liegen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen mehr als zwei Betriebsphasen vorliegen und/oder bei welchen wiederholt zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase umgeschaltet wird. Die erste Solltemperatur kann vorzugsweise 400°C bis 650°C betragen, insbesondere 550°C bis 600°C und besonders bevorzugt 580°C. Die zweite Solltemperatur kann vorzugsweise 650°C bis 1000°C betragen, insbesondere 700°C bis 850°C und besonders bevorzugt 780°C.
Mindestens ein Umschaltzeitpunkt zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase, also ein Zeitpunkt eines Übergangs von der ersten Betriebsphase in die zweite Betriebsphase oder umgekehrt, kann auf verschiedene Weisen ausgestaltet und/oder ausgelöst werden. Beispielsweise kann dieses Umschalten zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt erfolgen. Beispielsweise kann ein Umschalten von der ersten Betriebsphase in die zweite Betriebsphase zu einem Zeitpunkt zwischen 5 Sekunden und 5 Minuten nach einem Start einer Verbrennungskraftmaschine erfolgen, vorzugsweise zu einem Zeitpunkt zwischen 10 Sekunden und 3 Minuten und insbesondere zwischen 30 Sekunden und 5 Minuten. Alternativ oder zusätzlich kann ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase auch vom Vorliegen einer oder mehrerer Randbedingungen, welche erfasst werden, abhängig gemacht werden. Besonders bevorzugt kann ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase entsprechend einer erfassten Temperatur des Gases erfolgen. Beispielsweise kann mindestens eine Temperatur des Gases an mindestens einem Ort erfasst werden, und diese mindestens eine Temperatur kann mit mindestens einer Bedingung verglichen werden, beispielsweise mit mindestens einem Schwellwert. Beispielsweise kann entsprechend des Erfülltseins oder Nichterfülltseins dieser mindestens einen Bedingung das Umschalten ausgelöst werden. Beispielsweise kann das Gas ein Abgas im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine sein, wobei die erste Betriebsphase zumindest einen Teil einer Startphase der Verbrennungskraftmaschine umfasst, wobei erfasst wird, ob eine Temperatur des Abgases unterhalb einer Taupunktende-Temperatur des Abgases liegt. Entsprechend dieser Erfassung kann eine Umschaltung zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase erfolgen. Unter einer Taupunktende-Temperatur kann dabei diejenige Temperatur verstanden werden, bei der das so genannte Taupunktende erreicht ist, sich also kein flüssiges Wasser mehr im Abgasstrang stromaufwärts eines oder mehrerer der Gassensoren befindet. Diesbezüglich kann beispielsweise auf DE 102 51 364 A1 verwiesen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise mindestens einer der Gassensoren in einer Startphase der Verbrennungskraftmaschine, in welcher eine erhöhte Wasserschlagsgefahr besteht, bei einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise der oben beschriebenen ersten Solltemperatur, betrieben werden, wohingegen zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise ein Umschalten zu einer höheren, zweiten Solltemperatur erfolgen kann.
Das Verfahren kann weiterhin derart durchgeführt werden, dass mindestens einer der Gassensoren derart betrieben wird, dass ein wiederholter Wechsel zwischen der ersten Solltemperatur und der zweiten Solltemperatur und/oder zwischen der zweiten Solltemperatur und der ersten Solltemperatur erfolgt. Beispielsweise kann ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Umschalten zwischen den Solltemperaturen erfolgen, beispielsweise in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen und/oder auch periodisch.
Das Verfahren kann weiterhin derart durchgeführt werden, dass mindestens einer der Gassensoren bei einer Solltemperatur von maximal 650°C, besonders bevorzugt von maximal 600°C und insbesondere von maximal 500°C betrieben wird, wenn eine Luftzahl λ des Gases um mehr als 0,003 von λ = 1 abweicht, vorzugsweise um mehr als 0,002 und besonders bevorzugt um mehr als 0,001 oder sogar um mehr als 0,0007 oder um mehr als 0,0005. Vorzugsweise kann andernfalls, also außerhalb des genannten Temperaturbereichs, der mindestens eine Gassensor bei einer Solltemperatur von mehr als 650°C, vorzugsweise von mehr als 700°C und insbesondere von mehr als 750°C und besonders bevorzugt von mindestens 780°C betrieben werden. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat insbesondere den Hintergrund, dass bei niedrigeren Solltemperaturen und somit niedrigeren Betriebstemperaturen der Gassensoren, wie unten noch näher ausgeführt wird, ein größeres Messsignal zwischen der Nernstspannung bei λ = 1 und der Nernstspannung im fetten oder mageren Abgas vorliegt, so dass innerhalb eines größeren Bereichs um λ = 1 herum mit größerer Genauigkeit eine Nernstspannung erfasst werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens können die Gassensoren in mindestens einer Betriebsphase gleichzeitig auf unterschiedliche Solltemperaturen geregelt betrieben werden. Dies kann insbesondere derart erfolgen, dass mindestens ein erster der Gassensoren auf mindestens eine Solltemperatur für diesen Gassensor geregelt wird, und mindestens ein zweiter der Gassensoren auf mindestens eine hiervon abweichende Solltemperatur.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens ein Kontrollschritt durchgeführt. In diesem Kontrollschritt kann ein Vergleich der bei den mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen erfassten Parameter durchgeführt werden. Beispielsweise können bei diesem Vergleich die Parameter und/oder mindestens einen aus diesen Parameter ermittelter, beispielsweise ein Differenzwert, mit mindestens einer Bedingung verglichen werden, beispielsweise durch Vergleich mit mindestens einem Schwellwert. In dem Kontrollschritt kann insbesondere mindestens eine Erkennung einer Beeinflussung mindestens einer Elektrode mindestens eines der Gassensoren erfolgen, insbesondere eine Elektrodenvergiftung und/oder eine Beeinflussung einer oder mehrerer der Elektrode durch Fettgase. Letzteres wird beispielsweise als Continuous Shift Down, CSD, bezeichnet und ist beispielsweise in DE 10 2006 060 633 A1 beschrieben. Diese Ausgestaltung des Verfahrens hängt damit zusammen, dass an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr angeordnete Gassensoren typischerweise unterschiedlichen Belastungen, beispielsweise durch Elektrodengifte und/oder Fettgase, ausgesetzt sind, so dass beispielsweise eine starke Abweichung der von den jeweiligen Gassensoren erfassten Parameter voneinander auf eine Vergiftung und/oder einen CSD eines oder beider der Gassensoren schließen lassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Kontrollschritt auch mindestens eine Plausibilitätsbetrachtung des Parameters durchgeführt werden. So können beispielsweise Abweichungen der jeweils erfassten Parameter der Gassensoren erkannt werden, beispielsweise durch Vergleich mit mindestens einem Schwellwert. Der Kontrollschritt kann weiterhin derart durchgeführt werden, dass ein Ergebnis dieses mindestens einen Kontrollschritts einem Benutzer und/oder einer anderen Vorrichtung zur Kenntnis gebracht wird, beispielsweise in Form eines Warnsignals und/oder Fehlersignals und/oder in Form eines Korrektursignals.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Gassensoren zum Einsatz in dem Gas an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr. Die Vorrichtung kann weiterhin das Strömungsrohr selbst umfassen oder einen Teil desselben. Die Gassensoren weisen jeweils mindestens eine Nernstzelle auf. Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Ansteuerung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder einem oder mehreren der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele durchzuführen. Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtungen, des Gases, des Parameters, des Strömungsrohrs, der Gassensoren und der Nernstzellen sowie auf mögliche Verfahrensaspekte beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die Ansteuerung kann beispielsweise mindestens einen Mikrocomputer umfassen, wobei der Mikrocomputer eingerichtet sein kann, um beispielsweise ein Umschalten zwischen den beschriebenen Betriebsphasen und/oder Solltemperaturen zu bewirken. Insbesondere kann die Vorrichtung derart eingerichtet sein, dass eine gemeinsame Temperaturregelung für die Gassensoren vorgesehen ist. Die Ansteuerung kann weiterhin eine oder mehrere elektronische Bauelemente aufweisen, beispielsweise eine oder mehrere Temperaturregelungen, vorzugsweise eine gemeinsame Temperaturregelung für die Abgassensoren oder mindestens zwei der Abgassensoren. Die Ansteuerung kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise, wie oben ausgeführt, mindestens einen Mikrocomputer. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um die obigen Schritte oder Teile derselben durchzuführen. Weiterhin kann die Ansteuerung, alternativ oder zusätzlich, auch mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (application specific integrated circuit, ASIC) umfassen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Das Verfahren und die Vorrichtung wurden oben derart beschrieben, dass mindestens zwei Gassensoren vorgesehen sind. Das erfindungsgemäße Prinzip, den mindestens einen Parameter bei mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen zu erfassen, kann jedoch grundsätzlich auch auf eine Vorrichtung mit lediglich einem Gassensor übertragen werden, einschließlich der oben beschriebenen optionalen Merkmale, nach welchen ein und derselbe Abgassensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten, beispielsweise in unterschiedlichen Betriebsphasen, bei unterschiedlichen Solltemperaturen geregelt betrieben wird.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere lassen sich durch einen zeitweisen oder dauerhaften Betrieb von mindestens zwei temperaturgeregelten Gassensoren, vorzugsweise Lambdasonden und besonders bevorzugt Sprungsonden, auf mindestens zwei unterschiedliche, aber vorzugsweise genau bekannte Solltemperaturen und damit Temperaturniveaus, insbesondere Temperaturniveaus T₁ und T₂ mit vorzugsweise T₁ << T₂, zahlreiche Vorteile erzielen. Insbesondere lässt sich eine Robustheitssteigerung erzielen, sowie eine Wasserschlagabsicherung der Abgassensoren, bei gleichzeitig früher Betriebsbereitschaft, insbesondere im Niedertemperaturbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin lässt sich eine angepasste Regellage für eine Startphase und für einen Dauerbetrieb erzielen, beispielsweise eine fettere Regellage bei einem Motorstart. Zudem lassen sich neue Abgleichverfahren und neue Plausibilisierungsfunktionen realisieren, beispielsweise in Form einer Vergiftungserkennung. Dies kann, wie oben beschrieben, beispielsweise durch einen Vergleich von Signalen von Gassensoren in verschiedenen Einbaupositionen erfolgen, beispielsweise in Vorkat-Position (vK) und/oder Midbrick-Position (MB) und/oder in Nachkat-Position (nK).
Als weiterer möglicher Vorteil lässt sich der oben beschriebene Zielkonflikt auflösen. So lässt sich insbesondere eine größere Messempfindlichkeit eines Gassensors, vorzugsweise einer Sprungsonde, außerhalb von λ = 1 bei niedriger Solltemperatur und damit bei niedriger Betriebstemperatur durch ein größeres Messsignal realisieren.
Weiterhin lassen sich mittels des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtung eine Vielzahl von Ausgestaltungen realisieren, in denen die zuvor beschriebenen positiven Eigenschaften und Vorteile der Erfindung besonders günstig zum Tragen kommen.
So lässt sich beispielsweise in einer realisierbaren Ausgestaltung ein erster Gassensor, beispielsweise eine vK-Sprungsonde, mit einem temporären Betrieb auf einer abgesenkten ersten Solltemperatur T₁ in einer Startphase (auch als Warmlaufphase bezeichnet) betreiben, gefolgt von einem Wechsel auf eine zweite Solltemperatur T₂ in mindestens einer zweiten Betriebsphase, beispielsweise nach einer Startphase der Verbrennungskraftmaschine. Ein zweiter Gassensor, beispielsweise eine nK-Sprungsonde, kann konstant auf einer eigenen, unabhängigen Solltemperatur laufen, beispielsweise konstant ebenfalls auf der zweiten Solltemperatur T₂.
In einer weiteren realisierbaren Ausgestaltung können beide Gassensoren, beispielsweise eine vK- und eine nK-Sprungsonde, in einem temporären Betrieb auf einer ersten Solltemperatur, beispielsweise einer abgesenkten Temperatur T₁, betrieben werden, beispielsweise in einer Startphase, gefolgt von einem gemeinsamen Wechsel auf eine zweite Solltemperatur, beispielsweise eine höhere Solltemperatur T₂.
In einem weiteren realisierbaren Ausgestaltung, welche insbesondere für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei λ ≈ 1 (beispielsweise mit einer Abweichung von 1 um nicht mehr als 0,1) realisiert werden kann, können mindestens zwei Gassensoren im Permanentbetrieb auf unterschiedlichen Solltemperaturen betrieben werden. Beispielsweise kann eine vK-Lambdasonde in einem Permanentbetrieb bei einer ersten Betriebstemperatur T₁ betrieben werden, und ein zweiter Gassensor, beispielsweise eine nK-Lambdasonde, mit Permanentbetrieb bei einer zweiten Solltemperatur, beispielsweise T₂. Ein derartiger Betrieb von Gassensoren bei unterschiedlichen Temperaturniveaus kann zu einer Optimierung der Regellage und zu einer Optimierung der Lebensdauer der Gassensoren beitragen.
In einer weiteren realisierbaren Ausgestaltung, welche insbesondere für einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bei λ > 1,0, vorzugsweise λ > 1,1, geeignet ist, kann das Verfahren grundsätzlich gemäß der zuvor beschriebenen Ausgestaltung durchgeführt werden. Hierbei kann eine gesteigerte Genauigkeit der Gassensoren bei abgesenkter Betriebstemperatur, vorzugsweise bei der ersten Solltemperatur, eingesetzt werden. Dadurch entsteht für eine größere Anzahl von Fahrzeugsystemen die Möglichkeit, anstelle beispielsweise einer Breitbandsonde eine Sprungsonde als Regelsonde einzusetzen, insbesondere als Regelsonde vK.
Eine weitere realisierbare Ausgestaltung kann ebenfalls grundsätzlich den beiden zuvor beschriebenen Ausgestaltungen entsprechen, wobei jedoch vorzugsweise ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei λ < 1,0, vorzugsweise λ < 1,1, erfolgt. Diese Ausgestaltung kann beispielsweise einen so genannten Bauteilschutz umfassen und/oder im Rahmen eines Bauteilschutzes realisiert werden. Diese Ausgestaltung kann somit einen Fettbetrieb einer mit Sprungsonden geregelten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines mit Sprungsonden geregelten Motors, im Bauteilschutz umfassen. Beim Bauteilschutz wird ein Motor absichtlich fett betrieben, wenn Komponenten am Motor und im Abgassystem ihre Temperaturgrenzen erreichen. Der überschüssige Kraftstoff kann somit nicht verbrannt werden, sondern verdampft und nimmt dabei Wärme auf. Vorteil des Verfahrens ist, dass der Fahrer dieses „Abregeln” nicht bemerkt. Nachteil sind die dabei anfallenden HC-Emissionen. Weil der Bauteilschutz jedoch in den Fahrzyklen zur Abgasmessung nicht vorkommt (Höchstgeschwindigkeit ca. 120 km/h im jeweiligen Zyklus), ist er in der Regel nicht emissionsrelevant, d. h. Fahrzeuge mit Bauteilschutz können trotzdem nach EU- oder US-Norm zugelassen werden. Dabei kann beispielsweise durch eine Anfettung des Gases, beispielsweise eine Anfettung des Gemischs, eine Temperatur des Gases und/oder eine Motortemperatur abgesenkt werden, beispielsweise durch Kondensation von unverbranntem Kraftstoff. Hierbei kann beispielsweise eine gesteigerte Genauigkeit der Gassensoren bei abgesenkter Betriebstemperatur genutzt werden. Hierdurch kann für eine größere Anzahl von Fahrzeugsystemen die Möglichkeit realisiert werden, anstelle einer Breitbandsonde eine Sprungsonde als Regelsonde vK einzusetzen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung, welche sich vorteilhaft realisieren lässt, lässt sich, wie oben beschrieben, mindestens eine Kontrollfunktion und/oder mindestens ein Kontrollschritt realisieren. Beispielsweise kann in dieser Ausgestaltung eine Plausibilisierung und/oder Abgleichsfunktion eingesetzt werden, beispielsweise eine Plausibilisierung bzw. Abgleichsfunktion einer MB-Lambdasonde und einer nK-Lambdasonde durch einen temporären, beispielsweise intervallmäßigen, Wechsel beider Gassensoren zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Solltemperaturen, beispielsweise zwischen T₁ und T₂. Hierdurch kann sich beispielsweise die Möglichkeit eines direkten Vergleichs einer Regellage und/oder einer Dynamik der beiden Gassensoren in unterschiedlichen Einbaupositionen ergeben. Hierdurch kann beispielsweise eine Diagnose eines Katalysators erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise eine Sondenvergiftung detektiert werden, da sich typischerweise eine Kennlinie von Gassensoren mit einer Vergiftung ändert.
Die oben beschriebenen Ausgestaltungen können beispielsweise mit Solltemperaturen T₁ = 580°C und T₂ = 780°C durchgeführt werden, beispielsweise für das Sensorelement einer Sprungsonde. Auch andere Temperaturen sind jedoch grundsätzlich einsetzbar, beispielsweise die oben genannten Bereiche für die erste bzw. zweite Solltemperatur. Das vorgeschlagene Verfahren ist grundsätzlich insbesondere für Gassensoren mit mindestens einem integrierten Heizelement und/oder mit mindestens einem separat bereitgestellten Heizelement geeignet. Beispielsweise kann das Verfahren besonders günstig für Sprungsonden mit integriertem und/oder separat beigestelltem Heizelement, beispielsweise einem Stäbchenheizer, konzipiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren jedoch auch auf den Betrieb von anderen Arten von Gassensoren eingesetzt werden, beispielsweise anderen Arten von Abgassensoren, beispielsweise Sauerstoff-Breitbandsonden und/oder Stickoxidsensoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr;
2 eine Temperaturabhängigkeit von Funktionskennlinien typischer Sprungsonden;
3A und 3B Abhängigkeit von Sensorsignalen nicht-temperaturgeregelter Sprungsonden (3A) und temperaturgeregelter Sprungsonden (3B) von einer Abgastemperatur; und
4 exemplarische Kennlinien vergifteter Sprungsonden.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr 112 dargestellt. Die Vorrichtung dient in diesem Beispiel exemplarisch zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine 114, so dass es sich bei dem Strömungsrohr 112 exemplarisch um ein Abgasrohr 116 eines Abgastrakts handeln kann, welches in einer Hauptströmungsrichtung 118 durchströmt wird. In dem Strömungsrohr 112 ist exemplarisch ein Katalysator 120 als Beispiel einer Aufbereitungsvorrichtung und/oder einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Arten derartiger Vorrichtungen eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 110 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens zwei Gassensoren, hier dargestellt drei Gassensoren 122, 124 und 126. Entsprechend der Anordnung vor dem Katalysator 120, innerhalb des Katalysators 120 oder nach dem Katalysator 120 werden diese Gassensoren 122–126 auch als vK (Vorkat), MB (Midbrick) und nK (Nachkat) bezeichnet. Bei sämtlichen Gassensoren 122–126 handelt es sich beispielsweise um Sprungsonden 128, welche mindestens eine Nernstzelle aufweisen, beispielsweise eine Nernstzelle, bei welcher mindestens eine Elektrode dem Abgas in dem Abgasrohr 116 ausgesetzt ist, und mindestens eine zweite Elektrode (Referenzelektrode) einem Referenzgasraum, vorzugsweise einem Referenzluftkanal oder Referenzgaskanal, vorzugsweise mit einer gepumpten Referenz gemäß der obigen Beschreibung. Bei sämtlichen Sprungsonden 128 handelt es sich um temperaturgeregelte Sprungsonden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung 110 grundsätzlich auch mit einer einzelnen Sprungsonde 128 ausgestaltet sein könnte oder mit lediglich zwei oder mehr als drei Sprungsonden, beispielsweise lediglich mit einem der Gassensorpaare 122, 124, 122, 126 und 124, 126. Bezüglich eines möglichen Aufbaus der beschriebenen Gassensoren 122–126 kann exemplarisch auf Robert Bosch GmbH, Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–157 verwiesen werden, wobei jedoch zusätzlich eine Temperaturregelung 130 vorhanden ist, vorzugsweise eine gemeinsame Temperaturregelung 130 in einer Ansteuerung 132 der Vorrichtung. Diese Temperaturregelung 130 kann beispielsweise eingerichtet sein, um einen Innenwiderstand der Nernstzellen der Sprungsonden 128 zu messen und mittels eines Heizelements auf einen bestimmten Wert einzustellen, der einer vorgegebenen Solltemperatur für den jeweiligen Gassensor 122, 124, 126 entspricht.
In 2 sind typische Nernstspannungen U_N und korrelierende Sauerstoff-Partialdrucke von Sprungsonden 128 der beschriebenen Art für verschiedene Temperaturen der Nernstzelle dargestellt. Hieraus ergibt sich, dass insbesondere im fetten Abgas (λ < 1) eine Temperaturabhängigkeit besteht, und die Nernstspannung U_N mit zunehmender Temperatur absinkt, wohingegen der Sauerstoffpartialdruck p_O2 mit steigender Temperatur ansteigt. In diesem Bereich dominiert die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtsreaktionen, beispielsweise einer Zersetzung von CO₂ in Kohlenmonoxid und Sauerstoff und/oder einer Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Im mageren Bereich hingegen (λ > 1) überwiegt die Temperaturabhängigkeit der Nernstspannung, welche sich aus der Nernstgleichung ergibt:
Dabei bezeichnet R die allgemeine Gaskonstante, F die Faraday-Konstante, T die Temperatur der Nernstzelle, und P(O₂') bzw. P(O₂'') die Sauerstoffpartialdrucke an den Elektroden der Nernstzelle.
In den 3A und 3B ist dargestellt, in welcher Weise die Temperatur des Abgases in dem Abgasrohr 116 einen Einfluss auf die Signale U_N der Sprungsonden 128 nimmt. In 3A sind dementsprechend Signale nicht-temperaturgeregelter Sprungsonden 128 gezeigt. Entsprechend der Darstellung in 2 hat hier die Abgastemperatur einen erheblichen Einfluss auf das Funktionsverhalten der Sprungsonden, und die Abgastemperatur beeinflusst die Funktionskennlinien erheblich. In 3B ist hingegen eine Kennlinie einer temperaturgeregelten Sprungsonde 128, wie sie im Rahmen der Vorrichtung 110 eingesetzt wird, dargestellt. Die Abgastemperatur T_g und deren Veränderungen werden hierbei durch die Temperaturregelung 130 ausgeglichen, welche beispielsweise eine Heizleistung eines oder mehrerer Heizelemente der Gassensoren 122, 124, 126 beeinflusst, wobei diese Heizelemente integrierte Heizelemente und/oder externe Heizelemente umfassen können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gassensoren 122–126 jeweils auf mindestens eine Solltemperatur geregelt werden, wobei mindestens ein Parameter des Gases, beispielsweise in 1 ein Sauerstoffpartialdruck, bei mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen erfasst wird. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, welche in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Ausführungsbeispiel 1:
Die Gassensoren 122 (vK) und 126 (nK) werden eingesetzt. In einer ersten Betriebsphase, welche auch als Startphase oder Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 114 ausgestaltet sein kann, wird der vK-Gassensor 122 auf einer abgesenkten Temperatur T₁ betrieben. Nach Ablauf der Startphase erfolgt dann ein Wechsel auf T₂ > T₁, vorzugsweise T₂ >> T₁, Der nK-Gassensor 126 läuft vorzugsweise auf einer konstanten hohen Temperatur T >> T₁, vorzugsweise ebenfalls auf T₂. Die Startphase kann beispielsweise eine Phase sein oder umfassen, welche sich bis zu einem Taupunktende erstreckt, also bis zu einer Temperatur des Abgases, in welcher in dem Abgas keine flüssigen Bestandteile, insbesondere kein flüssiges Wasser, mehr vorhanden ist. Diese Phase kann beispielsweise 30 Sekunden bis 2 Minuten betragen, je nach Anwendung. Die Temperatur T₁ kann beispielsweise 400 bis 650°C, insbesondere 550°C bis 600°C und besonders bevorzugt 580°C betragen, und die zweite Solltemperatur typischerweise 650°C bis 1000°C, insbesondere 700°C bis 850°C und besonders bevorzugt 780°C.
Ausführungsbeispiel 2:
vK-Gassensor 122 und nK-Gassensor 126 werden beide mit temporärem Betrieb in einer Start/Warmlaufphase gemäß Ausführungsbeispiel 1 bei abgesenkter Temperatur T₁ betrieben. Dabei kann sich die Temperatur T₁ vorzugsweise in dem oben beschriebenen Bereich befinden, vorzugsweise bei 580°C. Die abgesenkte Temperatur T₁ kann für beide Gassensoren 122, 126 identisch sein, kann jedoch grundsätzlich auch leicht abweichen, vorzugsweise um nicht mehr als 50°, vorzugsweise um nicht mehr als 20°. Anschließend kann, vorzugsweise gleichzeitig oder mit einem Zeitversatz von vorzugsweise nicht mehr als 20 Sekunden, insbesondere von nicht mehr als 10 Sekunden und besonders bevorzugt von nicht mehr als 5 Sekunden, ein Wechsel auf eine erhöhte Temperatur T₂ erfolgen, beispielsweise in dem oben angegebenen Temperaturbereich. Wiederum kann die Temperatur T₂ für beide Abgassensoren 122, 126 identisch sein, kann jedoch auch grundsätzlich leicht verschieden sein, vorzugsweise um nicht mehr als 50°, insbesondere um nicht mehr als 20° und besonders bevorzugt um nicht mehr als 10°.
Ausführungsbeispiel 3:
Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für einen Motorbetrieb bei λ = 1 geeignet, beispielsweise einen Motorbetrieb, bei welchem die Luftzahl λ um nicht mehr als 0,1 von λ = 1 abweicht, vorzugsweise um nicht mehr als 0,05. Wiederum werden die Gassensoren 122 und 126 eingesetzt, wie auch in den Ausführungsbeispielen 1 und 2. Der vK-Gassensor 122 wird dabei im Permanentbetrieb bei einer abgesenkten Temperatur T₁ betrieben, beispielsweise der abgesenkten Temperatur T₁ in dem im Ausführungsbeispiel 1 angegebenen Temperaturbereich. Der nK-Gassensor 126 wird im Permanentbetrieb bei erhöhter Temperatur T₂ betrieben, beispielsweise in dem oben angegebenen bevorzugten Temperaturbereich. Der Betrieb der Gassensoren 122, 126 auf unterschiedlichen Temperaturniveaus kann zur Optimierung einer Regellage und einer Lebensdauer der Vorrichtung 110 und/oder der Sprungsonden 128 eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel 4:
Dieses Ausführungsbeispiel kann insbesondere für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 114 bei λ > 1, also im Magerbereich, eingesetzt werden. Grundsätzlich entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel 3, jedoch für den Magerbetrieb eines mit Sprungsonden 128 geregelten Motors einer Verbrennungskraftmaschine 114. Hierbei wird die genau gesteigerte Genauigkeit der Sprungsonden 128 bei einer abgesenkten Betriebstemperatur genutzt, welche sich beispielsweise aus 2 ergibt. Dadurch entsteht für eine größere Anzahl von Fahrzeugsystemen die Möglichkeit, anstelle einer Breitbandsonde eine oder mehrere Sprungsonden 128 als Regelsonde vK vor dem Katalysator 120 einzusetzen.
Ausführungsbeispiel 5:
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht wiederum dem Ausführungsbeispiel 3, wobei jedoch ein Betrieb im Fettgasbereich λ < 1 erfolgt. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für den Fettbetrieb eines mit Sprungsonden geregelten Motors im so genannten Bauteilschutz geeignet. Dabei wird durch Anfettung des Gemischs der Verbrennungskraftmaschine 114 eine Motortemperatur der Verbrennungskraftmaschine 114 abgesenkt, insbesondere durch Kondensation von unverbranntem Kraftstoff. Dabei wird die gesteigerte Genauigkeit der Sprungsonden 128 bei abgesenkter Betriebstemperatur T₁ eingesetzt. Dadurch entsteht für eine größere Anzahl von Fahrzeugsystemen die Möglichkeit, anstelle einer Breitbandsonde eine Sprungsonde 128 als Regelsonde vK einzusetzen.
Ausführungsbeispiel 6:
In diesem Ausführungsbeispiel werden vorzugsweise, im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen 1 bis 5, der MB-Gassensor 124 und der nK-Gassensor 126 eingesetzt. Beide Gassensoren werden wiederholt zwischen einer niedrigen Solltemperatur T₁ und einer hohen Solltemperatur T₂, beispielsweise in den oben genannten Temperaturbereichen, umgeschaltet. Beispielsweise kann ein temporärer, insbesondere intervallmäßiger Wechsel beider Gassensoren 124, 126 zwischen T₁ und T₂ erfolgen. Beispielsweise können sich eine erste Betriebsphase, in welcher eine Solltemperatur T₁ eingestellt wird, und eine zweite Betriebsphase, in welcher eine Solltemperatur T₂ eingestellt wird, abwechseln. Beispielsweise kann die erste Betriebsphase eine Dauer von 5 min aufweisen, und die zweite Betriebsphase jeweils eine Dauer von 1 min. Vorzugsweise sind die Temperaturen T₁ für beide Gassensoren 124, 126 im Wesentlichen gleich, beispielsweise mit einer Abweichung von weniger als 10°C und besonders bevorzugt von weniger als 5°C, und auch die erhöhten Temperaturen T₂ sind vorzugsweise für beide Gassensoren 124, 126 gleich, vorzugsweise wiederum mit einer Abweichung von nicht mehr als 10°, insbesondere nicht mehr als 5°. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit eines direkten Vergleichs der Sensorsignale der Gassensoren 124, 126 und somit die Möglichkeit eines direkten Vergleichs einer Regellage und/oder einer Dynamik der beiden Gassensoren 124, 126 in unterschiedlichen Einbaupositionen. Hierdurch kann eine Diagnose des Katalysators 120 erfolgen und/oder eine Beeinflussung von Elektroden eines oder mehrerer der Abgassensoren 124, 126. Dies ist am Beispiel der 4 erläutert.
4 zeigt Sondensignale U_S, beispielsweise Nernstspannungen U_N, von Sprungsonden 128, deren Elektroden auf verschiedene Weisen beeinflusst sind. Die mit N bezeichnete Kurve bezeichnet dabei den Neuzustand. Die Lage des Sprungpunktes bei Neusonden ist in der Regel durch die Diffusionseigenschaften der Elektrodenschutzschicht bedingt. In ⎕ = 1-Gas im Motor liegen H2 und O2 nebeneinander vor. H2 diffundiert wegen der kleineren Moleküldurchmessers deutlich schneller als O2. Wird der Zugang zur Außenelektrode der Sprungsonde durch eine Schutzschicht behindert, gelangt bevorzugt H2 an die Außenelektrode. Auch bei leicht magerem Gas zeigt die Sprungsonde dann noch fettes Gas an. Über die Beschaffenheit der Schutzschicht lässt sich die Lage des Sprungpunktes einstellen. Die Kurve Si bezeichnet eine Kurve, bei welcher eine Sensorelektrode mit Silicium vergiftet wurde, und die mit Pb bezeichnete Kurve eine Kurve, bei welcher eine Sensorelektrode mit Blei vergiftet wurde. Die mit CSD bezeichnete Kurve stellt eine Kurve dar, bei welcher eine Referenzelektrode der Sprungsonden 128 beeinflusst wurde, beispielsweise durch Fettgase. Dieser Effekt wird als Continuous Shift Down, CSD, bezeichnet. Durch Vergleich der Sensorsignale der Gassensoren 124, 126 und/oder anderer Gassensoren kann beispielsweise somit eine Plausibilitätsbetrachtung und/oder eine Erkennung von Sondenvergiftungen durchgeführt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele 1 bis 5 vorzugsweise mit den oben beschriebenen Temperaturen T₁ und T₂ durchgeführt werden können. Das Verfahren ist für Sprungsonden 128 mit integriertem oder separat bereitgestelltem Heizelement, beispielsweise einem Stäbchenheizer, einsetzbar, kann jedoch auch auf den Betrieb von anderen Sensorelementen, beispielsweise anderen Arten von Abgassonden angepasst werden, insbesondere auf Sauerstoff-Breitbandsonden und/oder Stickoxidsonden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3519410 A1 [0002]
DE 102005020363 A1 [0002]
DE 69006503 T2 [0002]
DE 102008005110 [0002]
EP 0769693 A1 [0008]
DE 10251364 A1 [0019]
DE 102006060633 A1 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Seiten 154–157 [0008]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0008]
Robert Bosch GmbH, Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–157 [0043]

Claims

Verfahren zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr (112), insbesondere zum Nachweis mindestens einer Gaskomponente in einem Abgas in einem Abgasstrang, wobei mindestens zwei an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr (112) angeordnete Gassensoren (122, 124, 126) verwendet werden, wobei die Gassensoren (122, 124, 126) jeweils mindestens eine Nernstzelle aufweisen, wobei jeweils mindestens eine Nernstspannung an den Nernstzellen erfasst wird, wobei die Gassensoren (122, 124, 126) jeweils auf mindestens eine Solltemperatur geregelt werden, wobei das Verfahren derart durchgeführt wird, dass der mindestens eine Parameter bei mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingestellten Solltemperaturen; mindestens zwei an unterschiedlichen Orten eingestellten Solltemperaturen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Solltemperaturen um mindestens 30°C, vorzugsweise um mindestens 50°C, insbesondere um mindestens 100°C und besonders bevorzugt um mindestens 150°C oder mindestens 200°C voneinander abweichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Gassensoren (122, 124, 126) in mindestens einer ersten Betriebsphase auf eine erste Solltemperatur geregelt wird und in mindestens einer zweiten Betriebsphase auf mindestens eine zweite Solltemperatur geregelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Solltemperatur 400°C bis 650°C beträgt, vorzugsweise 550°C bis 600°C und besonders bevorzugt 580°C, und wobei die zweite Solltemperatur 650°C bis 1000°C beträgt, insbesondere 700°C bis 850°C und besonders bevorzugt 780°C.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase entsprechend einer erfassten Temperatur des Gases erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gassensoren (122, 124, 126) in mindestens einer Betriebsphase gleichzeitig auf unterschiedliche Solltemperaturen geregelt betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Kontrollschritt durchgeführt wird, wobei in dem Kontrollschritt ein Vergleich der bei den mindestens zwei verschiedenen Solltemperaturen erfassten Parameter durchgeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Kontrollschritt mindestens eine Plausibilitätsbetrachtung des Parameters durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Kontrollschritt mindestens eine Erkennung einer Beeinflussung mindestens einer Elektrode mindestens eines der Gassensoren (122, 124, 126) erfolgt, insbesondere eine Elektrodenvergiftung und/oder eine Beeinflussung der Elektrode durch Fettgase.
Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Strömungsrohr (112), wobei die Vorrichtung mindestens zwei Gassensoren (122, 124, 126) zum Einsatz in dem Gas an unterschiedlichen Orten in dem Strömungsrohr (112) umfasst, wobei die Gassensoren (122, 124, 126) jeweils mindestens eine Nernstzelle aufweisen, wobei die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Ansteuerung umfasst, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.